鈦白粉有機改性及對ABS工程塑料的性能影響

吳 瓊 （中信鈦業股份有限公司，遼寧錦州 121005）

0 前言

鈦白粉，化學名稱二氧化鈦（TiO2），是最為常見的一種白色無機顏料，其具有獨特的物理性能和穩定的化學性能，因而被視作為重要的無機功能材料，廣泛應用于涂料、塑料等工業領域。但由于二氧化鈦本身存在缺陷，表面具有強極性，未經表面處理的二氧化鈦在生產、貯存和運輸過程中易吸水凝聚，致使其在有機聚合物中因易團聚而限制了其應用。因此，對TiO2進行有效的表面改性，改善它在有機聚合物中的分散性能及與應用體系的相容性，成為了TiO2廣泛應用的關鍵。為改善 TiO2在各種分散介質中的濕潤、分散和流變性能，通常需要對其進行有機改性。

塑料是鈦白粉的第二大應用領域，約占鈦白粉總量的20 %［1］。近年來，隨著國民經濟迅速發展，我國已逐漸成為塑料領域的消費大國。隨著塑料制品性能的不斷提升，已在某些領域成功成為了金屬和玻璃的替代品，致使塑料行業發展迅猛。因此，研究鈦白粉的有機改性對塑料行業的發展具有重要意義。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

金紅石型鈦白粉，中信鈦業股份有限公司；

有機改性劑：聚硅氧烷A、聚硅氧烷B，上海贏創公司；

多元醇（TMP），科迪化工科技有限公司；

ABS（ TR-558AI）， LG 化學。

1.2 試驗設備及儀器

SXJQ-I攪拌機，鄭州長城科貿；YQ50實驗室汽粉機，上海賽山；101-1B電熱鼓風恒溫干燥箱，西安明克斯；RL-Z1B1+熔體流速儀，上海思爾達；SJZS-10B微型雙螺桿擠出機、SZS-20微型注塑機，武漢瑞鳴實驗儀器有限公司；QT-5202懸臂梁沖擊試驗機、QT-6203S拉伸實驗機，蘇州謙通儀器設備有限公司。

1.3 樣品制備

1.3.1 TiO2的有機表面改性

采用3種有機改性劑對二氧化鈦進行有機表面改性：將鈦白粉在去離子水中打漿分散，用注射器吸取有機改性劑，均勻地噴灑在鈦白粉水漿中，并用高速攪拌機進行充分攪拌，將處理后的鈦白粉置于電熱鼓風恒溫干燥箱中烘干，使用實驗室汽粉機粉碎至微米級粒徑，得到有機改性樣品。

1.3.2 ABS色母粒的制備

以ABS（丙烯烴-丁二烯-苯乙烯共聚物）樹脂為載體，將有機改性后的鈦白粉與載體樹脂按比例混合均勻，用雙螺桿擠出機制備色母粒。

1.3.3 注塑樣條的制備

按質量分數2%加入預先準備好的色母粒，通過注塑機注塑成條形樣板。

1.4 性能測試及表征

鈦白粉親疏水性測試：將處理后的鈦白粉置于100 mL去離子水中，觀察其在水中的狀態。

熔融指數（MFI）測試：取一定量的色母粒，按照標準GB/T 3682—2000 在熔融指數測定儀上進行 MFI測試。拉伸性能測試： 按照 GB 1040.1—2006 在拉伸機上測試材料的拉伸強度和斷裂伸長率，測試結果取5個試樣的算術平均值。

沖擊強度測試：按照GB/T 1843—2008檢測樣條的沖擊性能。

2 結果與討論

2.1 不同有機改性鈦白粉的理化指標

有機改性后鈦白粉的理化指標見表1。

表1 有機改性后鈦白粉的理化指標Table 1 Physical and chemical index of organically modified titanium dioxide

由表1可以看出，不同有機改性劑對產品的白度L值及色相、ab值、均無明顯影響；經有機改性后鈦白粉的吸油量顯著降低，這說明有機改性劑已在鈦白粉表面形成包覆；經改性聚硅氧烷(A)、改性聚硅氧烷(B)處理的樣品表面呈現疏水性能。這是由于有機硅處理劑具有甲基等疏水親油基團，鈦白粉表面完全被其包覆后呈現疏水性能；多元醇改性劑中的醇羥基團具有親水性，在鈦白粉表面包覆后呈現親水性能。可見，經改性聚硅氧烷處理后，將鈦白粉由親水性轉化為親油性性質［2］，增強了鈦白粉與聚合物的相容性。

2.2 不同有機改性鈦白粉在ABS塑料體系中的應用性能測試

鈦白粉在體系中的應用性能指標能更直接地反映出鈦白粉的適用性，本研究主要采用熔融指數、拉伸強度、沖擊強度等指標評估鈦白粉在ABS樹脂中的應用性能。

2.2.1 熔融指數

熔融指數表征了聚合物在給定溫度及剪切條件下的流動性，通常而言，熔融指數越大，則聚合物的加工流動性越好，但材料的耐老化性、韌性等下降［3］。

對不同有機改性鈦白粉ABS母粒進行了熔融指數測試，結果見圖1。

圖1 不同有機改性鈦白粉ABS母粒體系的熔融指數Figure 1 Melt index of different organically modified titanium dioxide ABS masterbatch

由圖1可知，經改性聚硅氧烷處理后產品的熔融指數略有增加，但幅度較小，對材料的力學性能影響較小；而經多元醇類處理的鈦白粉用于ABS樹脂時，產品的熔融指數提高顯著，可能會導致材料的力學性能降低。這可能是由于經過多元醇處理的TiO2與ABS聚合物樹脂體系相容性不佳所致。

2.2.2 拉伸性能

拉伸性能主要測量材料的拉伸強度和斷裂伸長率，其是聚合物力學性能的重要指標，一般拉伸強度越大，斷裂伸長率越大，材料的力學性能越好。

不同改性鈦白粉對ABS樹脂拉伸性能的影響表2。

表2 不同有機改性鈦白粉對ABC樹脂拉伸性能的影響Table 2 The effects of different organically modified titanium dioxide on the tensile propertiy of ABS resin

從表2中可以看出，與純ABS樹脂相比，加入有機改性鈦白粉后，樹脂體系的拉伸強度、斷裂伸長率均有所降低。其中采用改性聚硅氧烷A處理的鈦白粉，樹脂的拉伸強度不變，斷裂伸長率略有降低；采用改性聚硅氧烷B和多元醇類包覆的鈦白粉，ABS樹脂的拉伸強度和斷裂伸長率均有所降低。這可能是由于聚硅氧烷A中含有的改性基團與ABS樹脂體系的相容性較好，并且性能穩定，處理后的產品在加工過程中不易發生斷鏈反應，材料的抗拉性能較好；而聚硅氧烷B含有的基團較為活潑，易與ABS樹脂發生反應，導致材料的抗拉性能下降；采用多元醇類改性的鈦白粉表面含有較多的羥基，在樹脂加工過程中，導致ABS樹脂發生降解，降低了其抗拉伸性能。

2.2.3 沖擊強度

材料的沖擊強度用于表征材料抵抗沖擊載荷的能力。不同有機改性鈦白粉對ABS樹脂沖擊強度的影響見圖2。由圖2可見，加入改性鈦白粉后，樹脂的沖擊強度均有降低趨勢，其中加入聚硅氧烷A改性處理的鈦白粉的樹脂體系沖擊強度值較高，加入多元醇處理的鈦白粉的ABS樹脂體系的沖擊強度值最低。

圖2 不同有機改性鈦白粉對樹脂沖擊強度的影響Figure 2 The effects of different organically modified titanium dioxide on the impact strength of resin

材料的沖擊強度與材料內部的結合鍵、結構及原子特性有關［4］，采用不同種類的有機處理劑改性，會在鈦白粉表面形成不同的基團結構，在材料加工過程中發生化學結合或斷鏈，會導致制品變黃、老化或強度降低。醇羥基化學活性強，可能會導致樹脂發生降解反應，降低產品的強度。改性聚硅氧烷類改性劑與ABS樹脂體系相容性較好，適用于對工程塑料用鈦白粉進行有機改性。

3 結語

采用聚硅氧烷A、聚硅氧烷B、多元醇類有機改性劑處理鈦白粉，對粉體的Lab值無顯著影響，產品的吸油量指標均降低；經聚硅氧烷處理的鈦白粉呈現疏水特性，增強了其與塑料樹脂的相容性；經多元醇改性的鈦白粉呈現親水性，易吸收水分，影響塑料的應用性能；在ABS樹脂體系中，加入聚硅氧烷A處理的鈦白粉，對塑料制品的力學性能影響最小，材料的拉伸性能和沖擊強度最好。

因此，建議工程塑料領域用鈦白粉采用聚硅氧烷類改性劑進行改性處理，并根據不同的應用體系，選擇含有不同基團的有機改性劑，提高材料的綜合性能。